空化水射流破碎岩石的机理研究

在不同泵压和淹没压力条件下,针对不同类型的空化喷嘴,对空化水射流的空泡云特性和破碎岩石机理进行了一系列实验研究,探讨了空化水射流的空泡云与冲蚀能力之间的相互关系。优化空化喷嘴结构和工作条件以减小泵压,从而降低输入能量。空泡云的可视化研究显示缩放形喷嘴产生的空化云的长度和宽度比收敛形喷嘴的大。研究表明,空化水射流切割破碎岩石主要是由空泡的溃灭引起的,空泡云的长度等于靶距与切割深度之和;在切割破碎岩石时冲蚀效果只在开始几秒内发生,冲蚀深度并不随时间而增大。     

水射流切割在非圆隧道施工中的应用

当今社会,利用地下空间是城市理性发展的必然选择。事实上,越来越多的地下建筑的使用对缓解交通以及提高生活质量起到了重要作用。如今,许多城市正在实施保温管道的创新理念（斯特林,1993）。地下管道系统的实际应用,如交通、通讯、电力、煤气、供水和污水处理、冷却和加热系统等。基于非破坏性方法（NDMS）的微隧道挖掘,虽然有不同的施工技术,但它们通常利用圆形横截面的型材。在微隧道施工中。这是由于隧道掘进机（TBMs）技术的固有限制。目前,绝大多数的隧道掘进机的设计为圆形挖掘剖面。此外,它们都比较过时,因为这项技术已经有超过五十年的历史。另一方面,也有新的举措提供了许多重大创新和突破。,本文介绍了一种新的方法,基于水射流切割系统挖掘非圆隧道,从而取代了传统的带有圆盘切割机的旋转切割头,、根据所谓的布拉博机的设计,水射流切割技术很容易发挥非圆截面和变截面型材的优点。此外,由于其轻便性,这种技术可以提高设备的可操作性,相比传统的隧道掘进机还能够提供更快的钻进速率,降低钻进成本。因此,多用途管道和隧道的执行使得保温管道的理念更容易实现。     

PDC破岩条件下的岩石研磨性评价

岩石的研磨性是钻井过程中钻头的磨损预测及优化的重要因素。为了预测钻遇地层岩石的研磨性,建立了钻井过程中PDC复合片的磨损计算模型,从而得到了岩石研磨性的预测方法。首先,通过复合片与地层之间的受力分析并结合岩石的破碎条件,建立了不同钻压条件下地层对复合片的作用力计算模型。根据石英含量的概率密度分布情况,获得了岩石中参与磨损的颗粒与复合片底部的真实作用力。然后,根据PDC复合片磨损的几何原理,建立了地层对钻头复合片的磨损计算模型。通过室内实验对模型进行修正,分析了岩石各种属性对复合片磨损的影响规律,揭示了各参数影响复合片磨损的主次顺序依次为：弹性模量>石英含量>内摩擦角>表面粗糙度>泊松比>内聚力。基于该磨损模型建立了岩石研磨性评价指标,对制定了岩石研磨性的分级标准具有一定的借鉴意义。     

利用声波测井计算岩石的力学参数

介绍了岩石力学参数的测量方法及岩石动、静弹性参数相关关系,最后用实际声波测井资料来分析计划岩石的力学参数。     

福怡大厦岩石力学试验数据的分析和应用

结合广州市福怡大厦施工阶段工程地质勘察中岩石极限抗压强度试验指标的分析和运用，说明了对试验数据分析的重要性及应注意的问题。     

岩石力学室内试验装置的新进展—RMT—64岩石力学试验系统

采用先进的设计方案、独特的结构布局，并采用了计算机直接控制和自适应控制技术，研制了一套功能多样化、体积小型化的ＲＭＴ—６４岩石力学试验系统，并进行了初步试验研究。该系统进行单轴压缩试验时对脆性明显的岩类大都能在纵向变形率控制下获得全过程曲线，而使用进口的电液伺服机时往往难以做到。这些试验结果已经为研究岩石力学的某些重大理论问题提供了依据。由于７０年代初由国际著名学者提出的并沿用至今的关于岩石Ⅰ型、Ⅱ型分类准则与这些最新的试验成果不相符合，作者认为Ⅰ型、Ⅱ型分类概念应重新考虑     

PDC锚杆钻头回转钻进的力学特性与试验

针对煤矿巷道锚固孔快速精准钻进的施工需求,通过建立PDC锚杆钻头回转钻进力学模型,对其主要力学影响因素进行了理论分析。结果表明：PDC切削齿轴向力随压入深度的增大而增大,随切入角的增大表现出先减小后增大的趋势;当煤系岩石摩擦系数f为0.20~0.43时,可得最优切入角为15.0°~18.3°,此时在相同压入深度条件下轴向力和切向力最小。并进一步结合煤系岩石的力学特性,提出了PDC切削齿作用下的岩石破碎条件,得出不同压入深度时轴向力和切向力的关系。利用自主研发的钻进试验台对模拟岩样进行了钻进试验,试验结果验证了PDC锚杆钻头回转钻进力学模型的正确性。研究结果为PDC锚杆钻头优化设计,锚固孔钻进效率与精度的提高,以及钻进轴向力和切向力的变化预测等提供了理论依据。     

川中红色砂泥岩岩石力学特性研究

对川中白垩系、侏罗系的泥岩、砂岩、泥质粉砂岩的抗压强度进行统计分析 ,得出红层岩石作为地基时抗压强度的范围值供设计参考 ,对泥岩、砂岩的其他力学性质进行了评价。     

PDC钻头布齿的计算机辅助设计

合理的布齿是保证PDC钻头有优良工作性能的关键。目前常用的PDC钻头布齿设计方法是图解调整法。该方法速度慢,设计工作烦琐,工作量大,效率低,不符合PDC钻头布齿设计灵活的特点,而且有时会出现不必要的误差。本文在讨论PDC钻头布齿设计特点的基础上,叙述利用CAD进行PDC钻头布齿设计的原理和方法,介绍PDC钻头布齿计算机辅助设计软件的内容和编制原理。     

PDC碎岩功耗的理论分析与计算

PDC钻头破碎岩石的理论研究,对于合理设计与应用PDC钻头有着非常重要的意义。虽然国内外学者对PDC钻头的碎岩问题进行了诸多的试验和数值模拟研究,但是理论分析研究相对缺乏。PDC碎岩功耗可以定量地从能量角度反映工具破碎岩石的效率,也是评价钻进效率有效指标之一。本文基于单齿PDC的受力模型和接触力学理论,推导了PDC单齿碎岩功耗和PDC钻头碎岩功耗的理论计算公式。结合实例对比分析表明,该公式对于整形PDC片是适用的。研究结果有助于PDC钻头的设计和PDC片的布齿措施,为深化认识PDC切削碎岩机理提供重要的理论依据。     

中硬岩层钻进孕镶金刚石复合片钻头的研究与应用

针对中硬岩层的特点设计了一种孕镶金刚石复合片钻头,介绍了其切削结构、特点及切削原理。在钻进中硬岩层时,复合片切削齿和孕镶金刚石后支撑能够共同发挥切削作用,提高钻头钻进效率和钻头的稳定性并且能使钻头具有较长的寿命。     

全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理的有限元分析

针对坚硬地层破岩效率低、钻具粘滑振动造成钻头寿命降低等问题,通过ANSYS有限元分析软件对全尺寸钻头复合冲击破岩机理进行研究。分析了冲击频率、钻压和转速对钻头破岩效率的影响,通过分析发现钻头破岩过程中,岩石内部既存在拉应力,也存在压应力,岩石破坏表现形式为“拉伸+压剪”的综合作用破坏。研究得出在扭转冲击频率为25 Hz条件下,此时轴向冲击的最佳频率为13 Hz,在这2种冲击频率的配合下机械钻速最快;钻压对机械钻速影响较大,两者呈线性正相关关系,并回归出有无冲击载荷条件下钻头机械钻速与钻压的变化关系式;转速对机械钻速的影响较小,两者呈微增趋势,分析认为是坚硬岩层使PDC钻头变切削为研磨状态导致机械钻速变化不大;复合冲击在地层钻进中能明显提高机械钻速。全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理研究对于钻进效率的提高和复合冲击技术的发展具有重要意义。     

汶川科学钻探PDC取心钻头有限元分析

汶川地震断裂带科学钻探项目是在龙门山"北川-映秀"断裂及龙门山前缘安县-灌县断裂附近实施5口科学群钻,由于所实施的5个钻孔都位于地震断裂带上,地层十分松软破碎,普通取心钻进的取心率低、岩心扰动大。为解决该问题,设计并采用了一种超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头,取得了良好的效果,提高了岩心采取率,并保证了岩心的原状性。论文通过UG建立的实体模型导入ANSYS Workbench下的CFX流场分析和Steady-Thermal稳定热分析模块,分析了该钻头的井底流场分布、大小以及钻头的冷却效果,并计算孔底有效排粉的最低泵量,以确定超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头取心钻进时保证取心率和岩心原状性要求的最优泵量。     

关于PDC钻头低温氮、磁化综合处理的试验研究

复合片钻头在石油钻井和地质钻探中,得到了广泛应用,取得了很好的技术经济效果。但是,在深孔钻进中,特别是在复杂地层,诸如软硬互层、裂隙互层和研磨性地层中钻进时,机械钻速下降,钻头进尺降低,影响了其进一步推广和使用。如何提高钻头的使用性能,即提高钻头的强度（硬度）和耐磨性,以解决上述问题是一个非常重要的课题。在提高钻头使用性能方面,对其进行低温液态氮处理、磁化处理的综合处理方法是一种很有效的方法。俄罗斯专家进行的理论研究和生产实践证明,使用这种综合方法可以有效提高钻头的使用性能。     

弱胶结砂砾岩地层钻头研制及提速工具配套研究

针对弱胶结砂砾岩地层钻井过程中面临的PDC钻头崩齿、碎齿严重,钻头先期损坏使得单只进尺少,钻井成本高等技术难题,从弱胶结砂砾岩地层岩石力学特性分析、锥齿PDC钻头研制及提速工具配套等方面着手,研究形成了适合弱胶结砂砾岩地层钻井提速的锥齿微心PDC钻头;并通过选用恒扭矩工具配合该型钻头在胜利油田利567区块进行现场应用,取得了良好的效果,大大延长了钻头的使用寿命,起到了提高机械钻速和降低钻井成本的目的。     

新型加长防斜减振PDC钻头的设计试验研究

PDC钻头在石油钻井和地质钻探中,在中等硬度和部分硬地层中钻进时,取得了很好的钻进效果,得到了满意的技术经济指标,生产单位也比较欢迎。但是,在复杂地层,如深孔软硬互层、裂隙互层和研磨性地层中钻进时,机械钻速变慢,钻头进尺降低,成了推广使用的“拦路虎”。俄罗斯钻探工作者针对上述地层钻探中存在的问题,设计出了加长型防斜减振钻头,经过实验室和野外试验证明,这种钻头是有效的,取得了很好的技术经济效果。     

PDC钻头综合受力模型的试验研究

模拟钻头上的切削齿的不同的切削断面形状、重叠切削状态及磨损状态,利用PDC切削齿对多种岩样进行了切削试验,研究了切削面积、接触弧长、切削齿后倾角、岩石抗钻强度、切削齿磨损高度等因素对PDC切削齿受力的影响规律。结果表明,切削面积相同情况下切削齿受力随接触弧长、岩石可钻性极值、切削齿磨损高度分别呈线性,幂函数和指数函数趋势变化;切削齿受力最小的后倾角在5～10°区间内。引入弧长系数、磨损高度系数,建立了PDC切削齿综合受力模型。根据力的平衡原理,推导得出完整的PDC钻头受力计算模型,为PDC钻头优化设计和合理使用提供了理论依据。